Red Sprites und Blue Jets - Elektrische Entladungen in die Hochatmosphäre - Jens Oberheide Bergische Universität Wuppertal Antrittsvorlesung, 4. Juni 2007 Williams, Physics Today, 2001

Physikalische Mechanismen Red Sprites und Blue Jets - Übersicht Phänomenologie Beobachtungen Physikalische Mechanismen Globale Auswirkungen auf die Atmosphäre: Sind Sprites wichtig?

Red Sprites über Ft. Collins, CO, 1995 courtesy of Geophys. Inst., University of Alaska Sprites sind elektrische Entladungen in der Hochatmosphäre (50-100 km) über Gewittern.

Blue Jet über Reunion, 1997 Wescott et al., JGR 2001 ca. 40 km 18 km (Wolkenoberkante) Jets sind elektrische Entladungen in der mittleren Atmosphäre (15-50 km) über Gewittern.

Red Sprites und Blue Jets - Historie ???? – Augenzeugenberichte über „Flammen“ und „Irrlichter“ oberhalb von Gewittern 1886 – Erster Bericht in der Literatur MacKenzie and Toynbee, Nature, 1886

1950 – Berichte von Piloten Wright, Weather, 1950 Red Sprites und Blue Jets - Historie ???? – Augenzeugenberichte über „Flammen“ und „Irrlichter“ oberhalb von Gewittern 1886 – Erster Bericht in der Literatur MacKenzie and Toynbee, Nature, 1886 1950 – Berichte von Piloten Wright, Weather, 1950 1956 – Erstes Modell Wilson, Proc. R. Meteor. Soc. London, 1956 (1925) 1989 – Erstes Spritefoto (Zufall!) Franz et al., Science, 1990

Minneapolis, Minnesota, U.S. Einzelbild einer TV-Kamera (1/60 s) Erstes Spritefoto 6. Juli 1989, 04:14:22 Uhr GMT Minneapolis, Minnesota, U.S. Einzelbild einer TV-Kamera (1/60 s) Kameraempfindlichkeit 10-5 Lux Testmessung für Raketenexperiment → Zufall! Sprites (ca. 250 km entfernt) Bäume (ca. 50 m entfernt) Television Image of a Large Upward Electrical Discharge Above a Thunderstorm System R. C. Franz; R. J. Nemzek; J. R. Winckler Science, Vol. 249, No. 4964., pp. 48-51, 1990.

Beobachtungsgeometrie Gewittersystem am Horizont, klarer Himmel dazwischen 200-300 km Entfernung (10-20°) Völlige Dunkelheit: keine Dämmerung, Lichtverschmutzung, usw.

1950 – Berichte von Piloten Wright, Weather, 1950 Red Sprites und Blue Jets - Historie ???? – Augenzeugenberichte über „Flammen“ und „Irrlichter“ oberhalb von Gewittern 1886 – Erster Bericht in der Literatur MacKenzie and Toynbee, Nature, 1886 1950 – Berichte von Piloten Wright, Weather, 1950 1956 – Erstes Modell Wilson, Proc. R. Meteor. Soc. London, 1956 (1925) 1989 – Erstes Spritefoto (Zufall!) Franz et al., Science, 1990 Seit 1993 – Systematische Spriteforschung (Boden-, Flugzeug-, Satellitenmessungen) Gefahr für Raketen, Space Shuttle?

Red Sprites - Flugzeugmessung Sprite = Kobold „The name sprite is well suited to describe their appearance, and it is a term that is succinct and whimsically evocative of their fleeting nature” (Sentman and Wescott, 1996)  Höhenbereich: 50-90 km → keine Anbindung an Wolken Horizontale Ausdehnung: 1-20 km Dauer: einige Millisekunden Struktur: oben: diffus, aufwärts unten: strukturiert, abwärts Courtesy of Geophys. Inst., University of Alaska

Red Sprites - Beispiele Satellitenbild eines Sprites – ROCSAT/ISUAL (Republic of China Satellite Imager of Sprites and Upper Atmosphere Lightning), Juli 2004 Sprites über Hamburg, 2. Mai 2005 Foto: H. Lüthen

Höhenbereich: 18-45 km → Anbindung an Wolken Blue Jets Höhenbereich: 18-45 km → Anbindung an Wolken Horizontale Ausdehnung: wenige km Dauer: einige 100 Millisekunden Strukturiert, aufwärts Reunion, 1997 Wescott et al., JGR 2001 Mt. Ida, Queensland, Australien, 1968 Lyons et al., Bull. Am. Meteor. Soc., 2003 Courtesy of Geophys. Inst. University of Alaska, 1994

Horizontale Ausdehnung: wenige km Dauer: einige 100 Millisekunden Giant Blue Jet Höhenbereich: 18-75 km Horizontale Ausdehnung: wenige km Dauer: einige 100 Millisekunden Strukturiert, aufwärts 33 ms/frame Pasko et al., Nature 2002

Elves vom Space Shuttle Columbia Höhenbereich: 100 km Horizontale Ausdehnung: > 100 km Dauer: wenige Millisekunden Diffus, seitliche Ausdehnung Elves = Elfen Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations From Electromagnetic Pulse Sources

TLE – Transient Luminous Events Giant Blue Jets Pixies Troll TLE – Transient Luminous Events

Physikalische Mechanismen

+ Aufwind Ladungsverteilung in Gewitterwolken Starke Auf- und Abwinde im Gewitterturm trennen positive und negative Ladungen + Aufwind Graupel Eiskristall - + Positive Ladung: oben, auch im Amboss Negative Ladung: unten Elektrischer Dipol Potentialdifferenz ~100 Megavolt

Sprites werden nur in Verbindung mit positiven CG-Blitzen beobachtet! Blitzarten und Sprites Klassifizierung nach Polarität der zur Erde geführten Ladung Anteil 5-10% Bis zu 50% in Wintergewittern Große (100 kA) Stromamplituden Häufig am Ende der Gewitter Häufig in starken Gewittern Positive CG Sprites werden nur in Verbindung mit positiven CG-Blitzen beobachtet!

Dipolfeld der Wolke wird durch Raumladungen abgeschirmt +250 kV +100 MV -100 MV 0 V Dipolfeld der Wolke wird durch Raumladungen abgeschirmt Influenzeffekt, da Leitfähigkeit σ höhenabhängig E aufwärts (klein) Positiver CG-Blitz entfernt die positiven Ladungen und das Dipolfeld bricht zusammen Quasi-elektrostatisches Feld der Raumladungen bleibt für τ=ε0/σ (Relaxationszeit, einige ms) aufrecht E abwärts (groß), ~1/z3 (Dipolfeld) Bei Durchbruch: positive Streamer (abwärts), negative Streamer (aufwärts) neg. Streamer pos. Streamer Sprites - Entstehung z

→ Lawinenbildung; Streamer in Gasentladung Sprites - Entstehung Sprite bei Überschreiten der kritischen Feldstärke! kritische Feldstärke für dielektrischen Durchbruch → Lawinenbildung; Streamer in Gasentladung ~1/10 c ~ρLuft Feldstärken kurz nach pos. CG-Blitz in Abhängigkeit vom Dipolmoment

Spektrum und Farben der Sprites N2+(1NG) N2(2PG) N2(1PG) N2+(M) A2Πu dominiert durch N2(1PG) dominiert durch N2(2PG) (300-500 nm) Bucsela et al., 2003; Morrill et al., 2002; Milikh et al., 1998

Modellierte Sprites N2(1PG) N2(2PG) courtesy of V. Yukhimuk, LANL

dielektrische Relaxationszeit = Laufzeit des Jets Blue Jets - Entstehung Hohe Feldstärke an der Oberkante der Wolke (konvektiver Kern) Positive Koronaentladung Kein Blitz erforderlich Auch andere Theorien in Diskussion (z.B. Wolkenblitze und relativistische Elektronen) Endhöhe hi erreicht, wenn τσ=ε0/σ(hi) ≈ t(hi) dielektrische Relaxationszeit = Laufzeit des Jets vJet: einige 100 km/s Typische Endhöhe: 40 km Giant Blue Jets: 70 km Pasko and George, JGR 2002

Blue Jets – Spektrum und Modellsimulation 80% N2(2PG) 20% N2+(1NG) Modellsimulation eines Giant Blue Jets Pasko and George, JGR 2002

Elves - Entstehung „Normaler“ CG-Blitz ist Sequenz von Entladungen Hauptentladung ist der „Return Stroke“ ~70 μs I = 10 - 100 kA Positiver Streamer → aufwärts → dI/dt groß courtesy of NASA

→ sich aufwärts ausbreitender elektromagnetischer Impuls (EMP) Elves - Entstehung >100 km „Return stroke“ ist sich aufwärts bewegender, gepulster Dipol, radiale Abstrahlung → sich aufwärts ausbreitender elektromagnetischer Impuls (EMP) EMP‘s werden durch jeden Blitz verursacht Nur starke EMPs (Blitze) führen zu Elves EMP-Amplitude ~1/r (Fernfeld einer Antenne) Kritische Feldstärke für dielektrischen Durchbruch ~e-z/7km (~Dichte) kann zwischen 80-100 km Höhe überschritten werden Anregung von N2(1PG), Donut-Struktur Dauer < 1ms Häufig gefolgt von Sprites Barrington-Leigh and Inan, GRL 1999

Globale Auswirkungen auf die Atmosphäre: Sind Sprites wichtig?

Wie häufig sind Sprites? Elektromagnetische Wellen <60 Hz aus Blitzen breiten sich im Erde-Ionosphären Wellenleiter global aus (Schumann-Resonanzen) Gleichzeitige Messung an mehreren (weit entfernten) Orten erlaubt Bestimmung von Ausgangspunkt Polarität Ladungstransfer Ableitung der globalen Spriterate und Verteilung mit empirischem Modell Hu et al., GRL 2002 Sato and Fukunishi, GRL 2003

Untergrenze: 720 Sprites/Tag (0,5/min) Wie häufig sind Sprites? Sommer Herbst Winter Nur starke Blitze! Globale Verteilung von Dipolmomenten Spriteraten Untergrenze: 720 Sprites/Tag (0,5/min) Obergrenze: 60/min ca. 10 CG-Blitze/Sekunde ca. 10% davon sind +CG Spriteraten Sato and Fukunishi, GRL 2003

Sprites und globaler elektrischer Kreislauf Ionosphäre (~80 km) V=+250 kV, Q=2*105 C I0=1,25 kA R=200 Ω ca. 1250 Gewitter gleichzeitig Gesamtstrom durch Gewitter: I0=1,25 kA „Schönwetter“-Widerstand: R=200 Ω (aus Leitfähigkeit) Ionosphärenpotential: V=+250 kV Schönwetterfeld ~150 V/m Grobe Abschätzung: Sprite ist Kurzschluss in Ionosphäre Transferiertes Ladungsmoment <10000 C*km Ladungstransfer Q <200 C Jeder Sprite ändert globales Ionosphärenpotential um <1‰ Änderung des Schönwetterfeldes <150 mV/m Neueste Messung (Füllekrug et al., 2006): 44 mV/m → Sprites haben keine Auswirkungen auf den globalen elektrischen Kreislauf

Sprites und globale Energiebilanz Thermischer Energieübertrag pro Sprite in Mesosphäre: 100 MJ – 1 GJ; abgeleitet aus gemessenen optischen Emissionen (Heavner et al., 2000) Grobe Abschätzung 1 Sprite/Sekunde mit je 1 GJ = 1 GW Global: 1 GW / 5*1014 m2 = 2 μW/m2 (Obergrenze!) Globaler Energieeintrag in Mesosphäre (nur solare Strahlung): 4 mW/m2 → Sprites tragen weniger als 1 ‰ zur Energiebilanz bei, nicht wichtig

Sprites und Chemie Temperaturerhöhung in Spritekanälen (Neutralgas) nicht bekannt, aber wahrscheinlich in der Größenordnung 100 K → Änderung von Reaktionsraten Ionisation in Spritekanälen → Ionenchemie Modellsimulationen (Huang et al., JGR 2006) für chemische Zusammensetzung in Spritekanälen: ΔO, ΔH, ΔO3 < 1% ΔHO2 = -45% ΔOH = +250% → Sprites für Chemie auf globaler Skala wahrscheinlich nicht wichtig, noch nicht abschließend geklärt

Lokal können die Effekte erheblich sein Sind Sprites wichtig? Global gesehen gehören Sprites wahrscheinlich nicht zu den dringendsten Fragen der Atmosphärenphysik, obwohl vieles noch ungeklärt ist Chemie? Ionosphäre? (Elektronendichten, Schumann-Resonanzen, Funkwetter, GPS,…) Infraschallquelle? Lokal können die Effekte erheblich sein 2-5 Sprites/min über einzelnen Gewittern gefunden Interessante Physik … die auch noch schön anzuschauen ist!

Williams, Physics Today, 2001

Globaler Elektrischer Kreislauf Typ. Werte über Gewitterwolken: Elektrische Leitfähigkeit: σ=4*10-12 S/m Elektrisches Feld: E=2,5*103 V/m Fläche: F=108 m2 (100 km2) Stromdichte j=σE=10-8 A/m2 Strom je Wolke: I=j*F=1 A Ionosphäre (~80 km) V=+250 kV I0=1,25 kA R=200 Ω ca. 1250 Gewitter gleichzeitig Gesamtstrom durch Gewitter: I0=1,25 kA „Schönwetter“-Widerstand: R=200 Ω (aus Leitfähigkeit) Ionosphärenpotential: V=+250 kV

Blitzhäufigkeit (Blitze pro km2 und Jahr) Zu jeder Zeit gibt es ~1000 Gewitter weltweit, auf <1% der Erdoberfläche!

TLE – Transient Luminous Events Höhen-bereich Horizontale Ausdehnung Struktur Scheinbare Bewegung Dauer Beobach-tungen Sprites (Kobolde) ~50-90 km ~1-20 km oben (>80 km): diffus unten (<70 km): strukturiert oben: aufwärts unten: abwärts wenige ms >10000 Elves (Elfen) ~100 km >100 km diffus seitliche Ausdehnung einige 100 Blue Jets ~18-45 km wenige km strukturiert aufwärts 100 ms <100 Giant Blue Jets ~18-75 km <10 Halos ~75 km ~50 km abwärts 1 ms einige 1000 Trolls (Trolle) ~60-70 km ~1 km aufwärts innerhalb Spriteranken Pixies (Feen) ~15-18 km ~100 m kompakt stationär 10 (?)